ナノマテリアルの工学的制御

ナノマテリアルの工学的管理は、ナノマテリアルを扱う労働者のための一連の危険管理方法と設備です。 工学的管理は、労働者を危険から隔離する職場への物理的な変更であり、システムと施設が設計された後にナノマテリアルの健康および安全上の危険を管理するための最も重要な一連の方法であると考えられています。

ナノマテリアルの主な危険性は、ナノ粒子を含むエアロゾルの吸入による健康への影響です。他の業界向けに開発された多くの工学的制御は、作業員をナノマテリアルへの曝露から保護するために使用または適応できます。これには、実験室設備（ドラフトなど）を使用した換気とフィルタリング、グローブボックスを使用した封じ込め、粘着マットなどのその他の換気以外の制御が含まれます。ナノマテリアルに対して最も効果的な工学的制御についての研究が進行中です。

職業上の危険への曝露を制御することは、労働者を保護するための基本的な方法であると考えられています。伝統的に、実行可能で効果的な制御を実施する方法を決定する手段として、制御の階層が使用されてきました。これには通常、排除、代替、工学的制御、管理的制御、および個人用保護具が含まれます。リストの前のメソッドは、危険に関連するリスクを軽減するのに一般的に効果的であると考えられており、プロセスの変更と工学的制御が曝露を減らすための主な手段として推奨され、個人用保護具は最後の手段です。階層に従うことは、病気や怪我のリスクが大幅に軽減された、本質的に安全なシステムの実装につながることを目的としています。^[1]

工学的制御とは、作業場を物理的に変更して作業員を囲いの中に閉じ込めたり、換気や濾過によって作業場から汚染された空気を除去したりすることで作業員を危険から隔離することです。適切に設計された工学的制御は、通常、作業員の相互作用から独立しているという意味で受動的であり、作業員の行動が暴露レベルに影響を与える可能性を減らします。また、理想的には、作業員の生産性や処理のしやすさを妨げません。さもないと、オペレーターが制御を回避しようとする可能性があります。工学的制御の初期コストは、管理的制御や個人用保護具よりも高くなる可能性がありますが、長期的な運用コストは多くの場合低く、プロセスの他の領域でコスト削減を実現できる場合があります。^{[2] : 10–11}

ナノマテリアルは、少なくとも 1 つの主要な寸法が 100ナノメートル未満であり、技術的に有用なバルク成分とは異なる特性を持つことが多い。ナノテクノロジーは最近開発されたため、ナノマテリアルへの曝露による健康および安全への影響、および許容される曝露レベルはまだ十分に理解されていない。^{[2] : 1–3} ナノマテリアルの加工および製造には、さまざまな危険が伴う。それぞれの状況に最適な工学的制御の種類は、材料の量と粉塵の量、および作業の期間によって左右される。たとえば、乾燥したナノマテリアルを懸濁液で置き換えることができない場合、またはナノマテリアルを含む固体マトリックスの超音波処理や切断などの手順を排除できない場合は、より強力な工学的制御が必要とされる。^{[3] : 9–11}

他の新技術と同様に、最も早い暴露は、研究室やパイロットプラントで研究を行っている労働者に発生すると予想されます。これらの状況で人工ナノマテリアルを扱う研究者は、自分の安全と健康を守る方法で作業を行うことが推奨されます。^{[4] : 1} ナノ粒子、粉塵、その他の危険に対する管理措置は、包括的な労働安全衛生管理システムの範囲内で実施すると最も効果的です。その重要な要素には、経営陣のコミットメントと従業員の関与、職場分析、危険の予防と管理、従業員、監督者、管理者に対する十分なトレーニングが含まれます。^[5]

換気システムは、局所換気と全体換気の2つに分けられます。局所排気換気は汚染源またはその近くで、多くの場合は囲いと組み合わせて作動しますが、全体排気換気は建物のHVACシステムを通じて部屋全体に作動します。^{[2] : 11–12}

局所排気換気（LEV）は、汚染源またはその近くに排気システムを適用することである。適切に設計されていれば、希釈換気よりも汚染物質の除去効率がはるかに高く、排気量が少なく、補給空気が少なくて済み、多くの場合コストも低くなる。汚染源で排気を適用することで、汚染物質が一般的な作業環境に侵入する前に除去される。^{[2] : 12}

局所排気装置の例としては、ヒュームフード、換気式バランスエンクロージャ、バイオセーフティキャビネットなどがある。 エンクロージャのない排気フードはあまり好ましくなく、層流フードは作業者に向かって空気を外側に導くため推奨されない。^{[4] : 18–28}

2006年に、ナノマテリアルの製造、取り扱い、研究、または使用を報告した国際的なナノテクノロジー企業と研究機関を対象に調査が行われました。調査に参加したすべての組織が、何らかの工学的制御を使用していると報告しました。最も一般的に使用された暴露制御は、従来の実験室のドラフトチャンバーであり、企業の3分の2がそれを使用していると報告しました。^[6]

フードの表面の平均流入速度は毎分80～100フィート（fpm）にすることが推奨されています。毒性の高い物質の場合は、より優れた保護を提供するために、100～120 fpmのより高い表面速度が推奨されます。ただし、150 fpmを超える表面速度では性能が向上しないと考えられており、フードの漏れが増加する可能性があります。^[7]

ナノテクノロジー向けに特別に設計された新しいヒュームフードは、主に低乱流天秤エンクロージャに基づいて開発されています。このエンクロージャはもともと医薬品粉末の計量用に開発されました。これらのナノマテリアル処理エンクロージャは、通常65～85 fpmで動作する低面速度で十分な封じ込めを提供します。^[7] これらは、ナノマテリアルをかき乱してエアロゾル化を増加させる計量操作に役立ちます。^{[4] : 27–28}

ヒュームフードから排出される空気はHEPAフィルターを通し、作業環境の外に排出することが推奨されています。使用済みのフィルターは有害廃棄物として処理されます。 乱気流によりナノマテリアルがフードの前面から排出されることがあります。乱気流はサッシを適切な位置に保ち、フード内部に機器を置かず、作業中に素早く動かないようにすることで回避できます。面速度が高いと粉末状のナノマテリアルが失われる可能性があります。2012 年時点では、低流量ヒュームフードの有効性に関する研究はほとんどありませんでしたが、エアカーテンフードはナノ粒子の封じ込めに効果的であるという証拠がありました。^{[4] : 19–24}

バイオセーフティキャビネットは、人工ナノ粒子と同程度の大きさのバイオエアロゾルを封じ込めるように設計されており、ナノ粒子に対しても効果があると考えられている。しかし、一般的なバイオセーフティキャビネットは乱流が発生しやすい。ヒュームフードと同様に、施設の外で排気することが推奨されている。^{[4] : 25–27}

大型機器専用の大規模換気エンクロージャを使用することもできる。^{[3] : 9–11}

一般排気換気（GEV）は希釈換気とも呼ばれ、局所排気換気とは異なり、排出物を発生源で捕捉して空気から除去するのではなく、一般排気換気では汚染物質を職場の空気中に放出し、その後汚染物質の濃度を許容レベルまで希釈します。GEVは局所排気換気に比べて非効率的でコストがかかり、ほとんどのナノマテリアルの暴露限界が確立されていないため、暴露を制御するために頼ることは推奨されません。^{[2] : 11–12}

しかし、GEV は室内を負圧にすることで汚染物質が部屋から出ないようにすることができます。施設全体で給気と排気を使用することで加圧方式を実現し、潜在的に危険な物質にさらされる作業員の数を減らすことができます。たとえば、生産エリアを近隣エリアに対して負圧に保つことができます。^{[2] : 11–12} 実験室の一般排気換気では、局所排気換気と併用して 1 時間あたり 4～12 回の換気を行う非再循環システムが使用され、汚染源は排気口の近く、作業員の風下、空気の流れを引き起こす可能性のある窓やドアから離れた場所に配置されます。^{[4] : 13}

いくつかの制御検証技術を使用して、室内の空気の流れのパターンを評価し、LEV システムが適切に動作しているかどうかを検証できます。排気流量を定期的に測定して、LEV システムが設計どおりに動作していることを確認することが重要だと考えられています。標準的な測定であるフードの静圧は、フードの性能に影響を与える空気の流れの変化に関する情報を提供します。危険な空気中の汚染物質への曝露を防ぐように設計されたフードの場合、アメリカ政府産業衛生専門家会議は固定フード静圧ゲージの設置を推奨しています。^[8]

さらに、ピトー管、熱線風速計、煙発生器、ドライアイステストはフードのスロット/面とダクトの空気速度を定性的に測定するのに使用できますが、トレーサーガスリークテストは定量的な方法です。^{[2] ：50〜52、59ANSI} Z9.5やASHRAE 110などの 標準化されたテストおよび認証手順を使用することもできますし、ガスケットやホースの検査など、適切な設置と機能性の定性的な指標を使用することもできます。^{[2] ：59〜60  [3] ：14〜15}

封じ込めとは、作業場への有害物質の放出を防ぐために、プロセスまたは機器の一部を物理的に隔離することを指します。^{[4] : 13} 換気対策と組み合わせて使用​​​​することで、ナノマテリアル作業者の保護レベルを高めることができます。例としては、ナノマテリアルを放出する可能性のある機器を別の部屋に配置することが挙げられます。^{[3] : 9–11  [9]}コンベアシステムの囲いやバッグ充填用の密閉システムの使用などの標準的な粉塵制御方法は、吸入性粉塵濃度を減らすのに効果的です。^{[2] : 16–17}

換気以外の工学的制御には、隔離封じ込めシステムなど、製薬業界向けに開発されたデバイスも含まれます。最も一般的な柔軟な隔離システムの 1 つはグローブボックス封じ込めで、混合や乾燥などの小規模な粉体プロセスの囲いとして使用できます。剛性のあるグローブボックス隔離ユニットも、作業者をプロセスから隔離する方法を提供し、粉体の移送を含む中規模の操作によく使用されます。グローブバッグは剛性のあるグローブボックスに似ていますが、柔軟性があり使い捨てです。封じ込めや汚染からの保護のために小規模な操作に使用されます。^[10] グローブボックスは密閉されたシステムであり、高度なオペレーター保護を提供しますが、移動性と操作の規模が制限されるため、使用が困難です。材料を囲いの中や外に移送することも暴露のリスクです。さらに、一部のグローブボックスは正圧を使用するように構成されており、漏れのリスクを高める可能性があります。^{[4] : 24–28}

この業界で使用されているもう一つの非換気制御は、連続ライナーシステムであり、これはポリプロピレンバッグに材料を封入したまま製品容器に充填することを可能にする。このシステムは、粉末をドラムに詰めるときに材料を降ろすためによく使用される。^[10]

換気以外の工学的制御には、ガードやバリケード、材料処理、添加剤など、さまざまな制御手段が含まれます。一例として、部屋の出口に歩行用粘着マットを設置することが挙げられます。 ^{[3] : 9–11  [9]} ナノマテリアルを取り扱う際には、静電気を軽減するために帯電防止装置を使用することで、ナノマテリアルが拡散したり衣服に付着したりする可能性が低くなります。 ^{[4] : 28} 水噴霧も、吸入性粉塵濃度を低減する効果的な方法です。^{[2] : 16–17}

• 米国労働安全衛生局による効果的な職場の安全衛生管理システム